Kobalt

Kobalt, yüksek hız çeliklerinde ikincil sertlik özelliğini geliştiren bir elementtir. Karbür oluşturma özelliği son derece zayıf olan bu element direkt olarak matrikste katı ergiyik oluşturması için bazen % 10 seviyelerine varan miktarlarda çeliğe katılır. Kobalt menevişlemede ikincil sertlik karbürlerinin çökelmesini geciktirerek menevişleme sürekliliğini artırır. Ayrıca kobalt ilavesinin sertleştirme sırasında ototemperlenmiş sementit miktarını sınırladığı, temperleme sırasında MC ve M2C tipi ikincil sertlik karbürlerinin dağılımını incelttiği, aşırı temperleme sırasında bu çökeltilerin kabalaşma hızını azalttığı ve aşırı temperleme sırasında M3C tipi karbür oluşumunu sınırladığı belirlenmiştir [15]. Kobalt ilavesiyle daha yüksek kesme hızlarına çıkılması ve zor talaş kaldırılabilen malzemelerin işlenmesi mümkündür. Şekil 5.2’de kobalt ilavesinin çeşitli test sıcaklıklarında sertliğe etkisi gösterilmiştir [9].

5.7. Niobyum

Yüksek hız çeliklerinde Niobyumun alaşım elementi olarak kullanımı 1955’de başlamıştır. Brezilyada büyük piroklor birikiminin ortaya çıkması bu elementin kullanımını teşvik etmiş ve deneysel Nb-alaşımlı yüksek hız çelikleri geliştirilmiştir. 1980’lerde ve 90’larda niobyum rolünün anlaşılması yolunda çok fazla çalışmalar yapılmıştır. Döküm yoluyla üretilen takımlarda %1,5’a varan oranlarda Nb kullanılırken, bu oran toz metalurjik yüksek hız çeliklerinde % 3’e kadar çıkmıştır. Niobyum kuvvetli karbür oluşturucu bir elementtir ve kütle-%3 üzerindeki konsantrasyonlarda ve yeterli karbon miktarında veya aluminyumoksit türü partiküllerin varlığında daha düşük konsantrasyonlarda soğuma sürecinde önce niobyumca zengin mono-karbürler oluşmaktadır. Katılaşma sürecinde bu karbürler ferrit kristalizasyonu için çekirdek görevini yapmaktadır. Bu karbür partikülleri ledeburit ötektiğinin oluşumuyla biten katılaşmaya kadar oldukça yüksek boyutlara ulaşabilir. (Şekil 5.3’de Nb-ca zengin olan ve büyük boyutlu primer MC karbürleri görülmektedir). Niobyum-karbür oluşumunda çevresindeki ergiyik karbonca fakirleşmekte ve bu nedenle alaşımın likvidus sıcaklığı artmaktadır. Bu da ferrit oluşumunu desteklemektedir. Katılaşma sürecinde böylece birincil karbürlü eş eksenli bir mikroyapı oluşmaktadır.

a) b)

Şekil 5.3. Blokvari Nb-ca zengin MC karbürü; SEM ikincil elektron kontrastı (a) dağlanmış numune (b) derin dağlanmış numune.

Kaba karbürler bir yandan tokluk için dezavantaj iken diğer yandan da aşınma dayanımını ve taşlanabilirliği azaltırlar. Niobyum ilavesi aynı zamanda ötektik karbür oluşumunun M2C’den M6C’ye doğru kaymasına neden olur. M2C karbürü geçmişteki kanının aksine oldukça faydalıdır, çünkü M2C’nin ayrışması östenitleme sırasında kolayca çözünebilen vanadyumca zengin ince MC çökeltileri yaratır. Bütün bu etkenler niobyum kullanımını sınırlar. Sadece çok yüksek soğutma hızları bu etkileri azaltabilir [42].

Karagöz ve Riedl [8] farklı miktarlarda niobyum içeren AISI M2 çeliklerini incelemişler ve niobyumun yüksek karbon afinitesi ile beraber, diğer karbür oluşturucu elementleri daha az oranda bulunduran monokarbürler oluşturduğu ve bu monokarbürlerin vanadyumca zengin MC karbürlerinden daha kararlı olduğunu bulmuşlardır. İncelenen bu çeliklerde karbon oranı sabit tutulduğunda karbonun önemli bir kısmının NbC oluşumunda kullanıldığı ve katılaşma yapısında MC’nin yanında M2C yerine M6C ötektiğinin oluşmasına neden olduğu, karbürlerin hacimsel yüzdelerinde MC karbürüne göre daha fazla bir azalma gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Şekil 5.4 bu çeliklerde artan Nb bileşimiyle MC oranındaki kuvvetli artışı ve M6C oranındaki kayda değer düşüşü göstermektedir.

Şekil 5.4. Sabit karbon seviyesinde V yerine Nb kullanılan bir AISI M2 serisinde karbürlerin hacimsel oranları üzerine artan Nb’un etkisi.

Bu çeliklerden bazılarının karbür boyut dağılımları Şekil 5.5’de görülmektedir. % 2 ve % 3 Nb oranında, MC karbür boyutları aşırı boyutlara ulaşmakta ve bu da toklukta bir dezavantaja neden olmaktadır. Bu iri karbür oluşum mekanizması, aşağıdaki sıralamayı takip eden bir sıcaklık gradyentinde gerçekleştilen yönlendirilmiş katılaştırma deneyleriyle izah edilmiştir: MC ötektiğinin yanında (Şekil 5.6a), oktehedral düzlemli primer Nb-ca zengin kristallere de sıklıkla rastlanmaktadır (Şekil 5.6b). Bunların boyutu 50 µm’a kadar ulaşabilmektedir. Heterojen çekirdeklenme bunların ferrit kristalizasyonunun başlangıcında yüksek sıcaklıklarda oluşumuna izin vermektedir ve böylece bu partiküller katı içerisine gömülmeden önce uzun bir büyüme periyoduna kavuşmaktadır. Sonuç olarak, bunların büyümesi daha hızlı bir soğuma ile zor olarak sınırlandırılırken, aluminyum, titanyum ve azot ile aşılama sayesinde azaltılabilmektedir. Vanadyumsuz AISI M2 sınıflarının diğer bir katılaşma yapısı karakteristiği de yüksek bir delta ötektoid içeriğidir.

Şekil 5.5. Sertleştirilmiş AISI M2 ve Nb-lu benzerlerindeki MC karbürlerinin boyut dağılımları.

(a) (b)

Şekil 5.6. AISI M2’nin Nb’lu benzerlerindeki katılaşma yapısında görülen Niobyumca zengin karbürler (a) ötektik (6-5-0-2 Nb); (b) primer karbür (6-5-0-3 Nb).

Vanadyumsuz ve niobyum alaşımlı çelikler ikincil sertlik mekanizmasında bir kayıp göstermektedir. Bu durum, niobyumun östenitteki çözünürlüğünün vanadyumunkinden çok daha az olmasıyla ve vanadyumun ikincil sertlikten sorumlu kısmının ince koherent MC partikülleri dağılımı oluşturmada güçlü bir rol oynamasıyla anlaşılabilmektedir. Vanadyumun iki önemli rolüne karşın niobyum yalnızca primer karbür oluşturma görevini üstlenir. Yani ikincil sertlik oluşturma önemli bir bileşen değildir. Sonuç olarak belli bir oranda vanadyum yüksek hız çelikleri için gereklidir.

Şekil 5.7’de niobyum alaşımlı bir AISI M2 çeliğinin katılaşma yapısı görülmektedir. Şekilde kompozisyon ve soğuma hızına bağlı olarak değişik oranlarda oluşan M2C, M6C ve MC karbürleri görülmektedir.

Şekil 5.7. AISI M2 çeliğinin Nb alaşımlanmış farklı bir türünün (6-5-1+1 Nb) katılaşma yapısındaki karbürler, SEM’de atom numarası kontrastı. A: V-ca zengin MC; B: Nb-ca

zengin MC; C: M2C; D: M6C.

NbC-ca zengin MC karbürlerinin morfolojisi ergiyikteki niobyum aktivitesi ile kontrol edilmektedir. Azalan Nb aktivitesi ile oktehedral düzlemli şekilden kaba dendritik yapıya, daha sonra da düzenli bir ötektik yapıyı andıran ince bir dendritik yapıya geçiş vardır (Şekil 5.8). Karbürün sıvıdan çökeldiği sıcaklık düştüğünde, daha fazla vanadyum (metal atomlarının %25 ine kadar çıkabilen) ve buna paralel olarak daha fazla molibden yapıya katılır. Vanadyumun davranışının aksine niobyum etkisi yalnızca primer MC oluşumu ile sınırlandırılır [8].

Şekil 5.8. Sıvıdaki Nb aktivitesinin bir fonksiyonu olarak NbC-tipi monokarbür morfolojisi.

5.8. Titanyum

Bazı çalışmalar W-Mo-V yüksek hız çeliklerine Si ve Ti ilavesiyle bu çeliklerde Ti’un V ile kısmı olarak yer değiştirme olasılığını göstermiştir. Ti benzer koşullar altında HSS’lerde ısıl işlem sırasında primer östenit tane boyutunun azalmasına neden olur. Bu durum çok yüksek Ti konsantrasyonuna sahip çeliklerde primer karbür oranındaki artış ile belirlenmiştir. Ti sadece MC tipi primer karbürlerde varolur. Ayrıca Ti, matriks ve M6C tipi karbürlerde bulunmaz. Ti konsantrasyonunun % 0,3’ü aşmadığı durumlarda Ti’un V ile kısmı olarak yerdeğişimi halinde, östenitleştirme sırasında V ve diğer alaşım elementlerinin katı çözeltiye geçişi mümkündür. Bu, temperleme sırasında ikincil sertliği tayin eden V-ca zengin M4C3 tipi ince karbürlerin çökelmesine neden olur. % 0,3 Ti ilave edilen çeliklerin su verilmiş ve temperlenmiş durumdaki sertlikleri 66 HRC civarındadır ve Ti içermeyen çeliklere nazaran daha yüksektir [43].

5.9. Bor

Metalik olmayan bor elementi, çeliklerin sertleşebilirlik özelliğini artırdığından alaşım elementi olarak son yıllarda özellikle ilgilenilen bir malzemedir. Çeliklere bor eklemenin bir avantajı, krom ya da mangan gibi çeliklerde sertlik artışını sağlayan diğer elementlerle karşılaştırıldığında, katı çözeltideki düşük sertlik artışıdır. Bu nedenle bor içeren çelikler temperlenmiş ya da haddelenmiş konumda kolayca soğuk

deforme edilebilirler. Diğer taraftan da bor alaşım elementi olarak çeliklerde 70 ppm’e kadar kullanılmaktadır ki bu da oldukça düşük miktardır. Yani fazla miktarlarda kullanılması gereken daha pahalı elementlerin sertleşebilirlikte sağladığı artışı, çok küçük miktarlardaki bor aynı oranda sağlayabilir [44]

6. ISIL İŞLEM

Yüksek hız çelikleri takım malzemesi olarak uygulamayı kimyasal kompozisyonlarına ve nihai kullanım özelliklerini oluşturan ısıl işleme borçludur. Bu tip çeliklerin performansını belirleyen ana özellikler sertlik/sıcak sertlik, aşınma dayanımı ve tokluktur. İlgili özellikler sabit bir kompozisyon içerisinde ısıl işlemle değiştirilebilir.

Östenitleştirme tavlaması, su verme ve menevişlemeden oluşan yüksek hız çeliğinin ısıl işlemi sürecinde mikroyapı-işlem parametreleri, sıcaklık ve ısıl işlem süresine bağlı olarak sürekli bir değişim gösterir.

Prensip olarak hız çeliklerinde birincil karbürler aşınma direnci özelliklerini artırıcı yönde etkilerken, matrikste çok ince taneler halinde çökelmiş olan ikincil karbürler yüksek sıcaklık mukavemetini etkilemektedir. Bunun için çeliğin östenitleştirme olarak adlandırılan ısıl işleme tabi tutulması (zayıf ve orta kuvvette karbür oluşturucu elementlerin karbürleri östenitte çözünmektedir), yani 1170-1270°C seviyesinde yüksek sıcaklığa ısıtılması ve hızlı soğutulması gerekmektedir. Hız çeliğinin ayrıca 530-580°C seviyesindeki sıcaklıklarda menevişlenmesi sonucu malzemenin sertliğini artıran matriks içinde ince dağılmış ikincil karbürler katı ergiyikte çökelir; bu olay ikincil sertlik olarak tanımlanır [45]. Yüksek hız çeliklerinin ısıl işlem adımları Şekil 6.1’deki şemada görülmektedir [46].

Şekil 6.1. Yüksek hız çeliklerinin ısıl işlem yöntemi.

6.1. Yumuşatma Tavı

Takım üretimi için gerçekleştirilen bu ısıl işlemde, çelik ya uzun süreli, sürekli olarak ferrit alanında, yada daha kısa süreli, östenit ve ferrit alanında tavlanır. Bu tavlama karbür oluşturucu element ve karbon açısından yüksek doyumlu matrikste M6C ve M23C6 tipi karbürlerin çökelmesine yol açar. M6C kompozisyonu katılaşmadakiyle eşdeğerken M23C6 karbürünün metal miktarı yoğun olarak krom ve demir atomlarından oluşur. Düşük kimyasal kararlılıktaki bu karbürlerin kabalaşmasıyla ferritik matrikste karbürler arası mesafe artar; böylece sıcaklık ve süreye bağlı olarak sertlik arzulanan seviyelere düşer [45].